第十章-生物修复

1、第十章 生物修复基础,2016.11.12,环境生物技术课件,生命科学与环境学院,第十章 生物修复基础,本章内容 10.1生物修复的概念 10.2生物修复特点及原则 10.3生物修复原理 10.4生物修复的主要方法 10.5生物修复的影响因素,环境生物技术课件,10.1生物修复的概念,(1)环境修复 修复(remediation)本来是工程上的一个概念，指借助外界作用力使某个受损的特定对象部分或全部恢复到原初状态的过程，包括恢复、重建、改建等三个方面的活动。 环境意义上的修复(即环境修复，environmental remediation)，是指对被污染的环境采取物理、化学和生物学技术措施，使

2、存在于环境中的污染物质浓度减少或毒性降低或完全无害化，使其部分或全部恢复成为原来初始状态的过程。可以从3个方面来理解。,环境生物技术课件,(1)环境修复 污染环境与健康环境 非正常与正常 环境修复和环境净化 人为与自然 环境修复与“三废”治理 点源治理与面源治理 环境修复根据采用的具体技术，如工程技术、物理技术、化学技术、生物技术等，可分为工程修复、物理修复、化学修复、生物修复等四大类。,环境生物技术课件,(2)生物修复 所谓生物修复(bioremediation)，是指利用生物的生命代谢活动，减少存在于环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无害化，从而使污染了的环境部分或全部恢复成为原初始状态的

3、过程。 生物修复可分为2类：原位生物修复(in-situ bioremediation)指在污染的原地点采用一定的工程措施进行的修复行为；异位生物修复(ex-situ bioremediation)指移动污染物到反应器内或邻近地点采用工程措施进行的修复行为，异位生物修复中的反应器类型大都采用传统意义上“生物处理”的反应器形式。,环境生物技术课件,(2)生物修复 微生物修复，主要是利用细菌治理石油、有机溶剂、多环芳烃、农药之类的有机污染。 植物修复，就是利用植物去治理水体、土壤和底泥等介质中污染的过程。植物修复技术包括六种类型：植物萃取、植物稳定、根际修复、植物转化、根际过滤、植物挥发等技术。

4、动物修复，指通过土壤或水体动物群的直接(吸收、转化和分解)或间接作用(改善土壤理化性质，提高土壤肥力，促进植物和微生物的生长)而修复污染环境的过程。,环境生物技术课件,1 0.2 生物修复特点及原则 10.2.1 生物修复特点 处理时间 一般需要6个月或1年以上。 污染物可以在原地被降解、清除，处理过程消耗低、成本低且处理条件要求 环境影响小，且无二次污染，遗留问题少 最大限度地降低污染物的浓度 生物修复技术可以同时处理受污染的土壤和地下水,环境生物技术课件,l 0.2.2 生物修复原则 生物修复的局限及不足： 第一，生物不能降解所有进入环境的污染物，常常使生物修复不能进行。 第二生物修复需要

5、对地点的状况和存在的污染物进行详细而昂贵的具体考察。 第三，特定的生物只降解特定类型的化学物质。 第四，生物活性受温度和其他环境条件影响。 第五，有些情况下，生物修复不能将污染物全部去除。,环境生物技术课件,l 0.2.2 生物修复原则 生物修复必须遵循三项原则： 合适的生物是生物修复的先决条件。它是指具有正常生理和代谢能力，并能有效降解或转化污染物的生物体系。包括微生物、植物、动物及其组成的生态系统。 合适的场所是指要有污染物和合适的生物相接触的地点。例如，表层土壤中存在的降解苯微生物无法降解位于蓄水层中的苯系污染物，。 合适的环境条件是指要控制或改变污染场地或生物处理反应器的环境条件，使生

6、物的代谢与生长活动处于最佳状态，如提供适当的无机营养、充足的溶解氧或其他电子供体、适宜的温度及湿度，能源及碳源等。,环境生物技术课件,1 0.3 生物修复原理 10.3.1 微生物修复 微生物修复基本原理有如下几方面。 (1)转化 通过微生物代谢导致有机或无机化合物的分子结构发生某种改变、生成新化合物的过程称为生物转化，主要是指重金属的生物转化。 以重金属汞(Hg)为例，甲基化汞的生物毒性是无机汞的50100倍，通过含有机汞裂解酶基因的微生物去甲基化，能降低汞污染物的毒性；化合态的汞经微生物还原(如汞还原酶)，成为游离汞，从机体中除去。,环境生物技术课件,10.3.1 微生物修复 (2)吸附与

7、累积 通常所说的微生物吸附(microorganism sorption)仅指失活微生物的吸附作用，而微生物活细胞去除重金属离子的作用一般称为微生物累积(microorganism accumulation)。两者均为微生物富集范畴。 微生物吸附主要是生物体细胞壁表面的一些具有金属络合能力的基团起作用，如巯基、羧基、羟基等。 微生物累积主要利用微生物新陈代谢作用产生的能量，通过单价或二价离子的转移系统 将重金属离子输送到细胞内部。微生物新陈代谢起关键作用，因此，温度、pH值、能源等影响微生物累积效果。,环境生物技术课件,10.3.1 微生物修复 (3)降解 复杂有机化合物在微生物作用下转变为结

8、构简单化合物或被完全分解的过程称为生物降解。环境中大部分有机污染物可以被微生物降解，降低其毒性或使其完全无害化。 微生物降解有机污染物主要依靠微生物分泌的胞外酶降解，或污染物被微生物吸收至其细胞内后，由胞内酶降解。 微生物分解转化污染物的能力是很强的，当环境中有新的化合物存在时，它们能够逐步改变自身条件以适应变化的环境。,环境生物技术课件,10.3.2 植物修复 (1)吸收 利用富集能力较强的植物通过根系吸收和转运过程，将土壤、水体中的污染物转移到地上部分，通过植物降解或收割植物等手段把污染物移除。 (2)降解 植物降解污染物的途径主要有两条：一是将污染物吸收到植物体内，通过新陈代谢过程将其降

9、解；二是通过根分泌物中的一些物质直接或间接的在根部将其降解。,环境生物技术课件,10.3.2 植物修复 (3)稳定 植物稳定是利用植物吸收、沉淀来固定环境中的污染物，防止其进入地下水和食物链，从而减少其对环境和人类健康的影响。如利用超累积植物的富集特性，在根系或植物体内浓缩富集污染水体中的金属或有机污染物，达到处理的效果。 (4)挥发 植物挥发是指利用一些植物来促进污染物转变为可挥发性的形态，挥发出土壤和植物表面的过程。如汞、硒污染的去除。,环境生物技术课件,10.3.3 动物修复 土壤动物主要是通过对生活垃圾及粪便污染物进行破碎、消化和吸收转化，把污染物转化为颗粒均匀，结构良好的粪肥。而且这

10、种粪肥中还有大量有益微生物和其他活性物质，其中原粪便中的有害微生物大部分被土壤动物吞噬或杀灭。 利用动物来富集重金属或转化其形态，可以提高土壤肥力。腐生动物蚯蚓对重金属元素有很强的富集能力，其体内Cd、Pb、As、Zn与土壤中相应元素含量呈明显的正相关，对蜘蛛体内重金属含量的分析结果也表现出相似的趋势。 土壤动物不仅直接富集重金属，还和微生物、植物协同富集重金属，改变重金属的形态，使重金属钝化而失去毒性。特别是蚯蚓等动物的活动促进了微生物的转移，使得微生物在土壤修复的作用更加明显；同时土壤动物把土壤有机物分解转化为有机酸等，使重金属钝化而失去毒性。,环境生物技术课件,1 0.4 生物修复的主要

11、方法 10.4.1原位生物修复 原位生物修复(in-situ bioremediation)主要是通过添加营养物质、微生物或酶、表面活性剂、溶解氧、补充碳源及能源等技术手段，强化污染物去除效果。 （1）生物通气法(bioventing) （2）生物注气法(biosparging),环境生物技术课件,10.4.1原位生物修复 (3)生物冲淋法(bioflooding) 生物冲淋法又称液体供给系统(1iquid delivery systems)，它是指通过注入井(或沟)补充含氧气和营养盐的水以促进土壤和地下水中污染物的生物降解。该方法在各种石油烃类污染治理中得到使用，改进后也用于处理氯代脂肪烃类

12、化合物，如加入甲烷和氧促进甲烷营养菌降解三氯乙烯和氯乙烯等。 (4)土壤耕作法(1and farming) (5)微生物-植物联合修复,环境生物技术课件,10.4.2异位生物修复 异位生物修复(ex-situ bioremediation)主要是将污染的土壤或水，通过车辆、管道等方式，输送到经过各种工程准备的场所(或反应器)，进行生物降解处理，特别适合一些有毒化合物、挥发性大或浓度高的污染物处理。异位修复主要包括： 异位土壤耕作法 生物堆放法 生物反应器,环境生物技术课件,1 0.5 生物修复的影响因素 10.5.1 受体特性 土壤、地表水、地下水、大气是污染物的主要环境载体，也是生物修复的受

13、体。因此，这些受体特性是构成污染生物修复的主要影响因素。 (1)土壤受体特性 土壤物理学特性 土壤孔性(so订porosity)、土壤质地(soil texture) 土壤胶体物质 土壤化学平衡,环境生物技术课件,1 0.5 生物修复的影响因素 10.5.1 受体特性 (2)地表水受体特性 地表水体(surface water)是指在一定的自然空间内被水覆盖的自然综合体，它包括河流、湖泊、水库、堰塘、河口、海洋等。天然地表水体一般由水、水中物质、水生生物及底泥等4部分组成。污染物进入水体后的迁移、转化，是通过污染物与水体之间相互产生复杂的物理、化学、生物作用而变化的，整个过程取决于污染物的特性

14、和受纳水体的背景条件。,环境生物技术课件,1 0.5 生物修复的影响因素 10.5.1 受体特性 (3)地下水受体特性 地下水种类和特征 地下水(groundwater)即埋藏于地表以下土层孔隙中的水。按照地下水的埋藏条件，地下水分为上层滞水、潜水和承压水。 地下水的污染物运移 地下水的污染特点：污染过程缓慢，难消除,环境生物技术课件,1 0.5 生物修复的影响因素 (4)大气受体特性 影响大气污染修复的气象因素 影响大气污染修复的气象因素主要有风、大气湍流、温度层结、大气稳定度等。 风速则影响污染物的稀释程度。 湍流运动造成大气中各组分间的强烈混合。 逆温层的出现可能造成高浓度大气污染。 大

15、气稳定度高易污染，稳定度低，扩散性能高。 影响大气污染修复的近地面因素 城市、山区、水路交界地区都有不同的影响。,环境生物技术课件,(4)大气受体特性 污染物在大气中的转化 大气中的污染物，在扩散、输送过程中，由于其自身的物理化学性质受阳光、温度、湿度等因素的影响，污染物之间，以及它们与空气原有组分之间发生化学反应，形成新的二次污染物，这一反应过程称为大气污染的化学转化，它包括光化学过程和热化学过程，其中有发生在气相或液相的均相反应，和发生在气液，液固，固气界面上的非均相反应。 NO在大气光化学过程中起着很重要的作用。NO通过非均相反应可形成HNO3和HNO2。NO2也可能经过在湿颗粒物或云雾液滴中的非均相反应而形成硝酸盐。,环境生物技术课件,10.5.2 污染物特性 (1)污染物的化学结构 一般地，结构简单的有机物较结构复杂的先降解，相对分子质量小的有机物比相对分子质量大的易降解。 (2)污染物的生物可利用性 污染物的生物有效性与其某些固有的物理化学特性有关，如水溶性、辛醇一水分配系数或以非水溶相液体存在等。生物有效性也与周围的环境条件有关，如与周围环境发生吸着作用、螯合作用，或被包埋于土壤、沉积物或含水层的基模(matrix)中与生物隔离而不能被生物利用